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工业机械手-基于PLC控制设计与研究的的价格便宜的小型封头冲压上下料气动机械手

发布日期:2020-04-09

李文

       近年,随着我国从“制造大国”向“制造强国”转变进程加快,自动化设备在工业生产中的应用越发广泛。在冲压生产线上,自动化冲压是降低生产成本、保障生产安全的有效方法,其中上下料机械手是自动化冲压的重要组成部分。本文设计研究了一种成本低廉的小型封头冲压上下料气动机械手,主要研究内容及结论如下:


(1)在机械系统设计方面,运用模块化和参数化的理念进行设计。在结构上采用了气缸推动转轴转动、气缸推动滑动导轨作为手臂、限位开关与机械挡块共同定位的新方法,这样不仅使结构有所简化,而且还在一定程度上提高了气缸的定位精度;然后以齐次变换为基础,建立机械手运动学和动力学模型,并进行了分析研究,为类似的分析提供理论基础与参考;最后通过ADAMS软件进行虚拟样机仿真,结果表明机械结构不存在干涉。


(2)在驱动系统设计方面,选用封闭型位置控制回路的方式实现气缸位置控制;然后设计出驱动回路原理图,并对驱动回路中的气动元件进行了选型。


(3)在控制系统设计方面,充分考虑了软、硬件各自的特点,进行了PLC控制系统的硬件设计(PLC选型、I/O点分配、PLC外部接线)和软件设计(SFC图、梯形图程序、程序逻辑测试);最后进行了机械手样机验证实验,结果表明:机械手结构设计合理、气动驱动系统运行平稳、控制软件性能良好,达到了课题的设计要求,成功开发了一套基于PLC控制的气动机械手,对“机-电-气”一体化设备有一定的借鉴价值。


(4)将复杂网络理论应用于机械手控制电路的可靠性分析,采用邻接矩阵的方法建立了限位开关电路的无权网络模型;并通过Pajek软件计算了模型网络各节点的度、聚类系数和介数等网络表征参数,综合分析了各元件的重要度,定位了电路的Hub节点。结果表明:元件GND、VDD、V1是最容易导致网络崩溃的Hub节点,是系统可靠性设计的重要对象。


  控制系统是整个机械手的“神经中枢”,控制着机械手的“一举一动”,负责整个系统高效、协调的运行。在对本文机械手的控制要求进行分析,将采用 PLC 作为本文机械手的控制系统,进行软、硬件设计;最后,对于前述设计的机械手进行样机组装运行实验。


控制系统总体方案设计
  1. 控制系统的性能要求分析

  控制系统是机械手的核心部分,它的性能直接决定机械手系统的性能,因此在机械手设计时,控制系统的性能要求分析对机械手非常必要。对于控制系统,主要有如下的性能要求:


  (1)稳定性。指系统由于某种因素作用而偏离平衡状态,此时系统在没有外力作用下自动恢复平衡的能力。


  (2)过渡过程性能。通常把快速性和平衡性作为衡量过渡过程性能的指标,快速性是指系统达到平衡状态的快慢程度,用时间来衡量;当系统达到平衡状态时,会有一些微小的波动,称为平衡性。


  (3)稳态误差。实际稳态输出与理论的差值称为稳态误差,其数值越小,控制精度就越高,所以在满足其他性能条件下尽可能减小系统的稳态误差。本文所设计的机械手,驱动上采用的是气压驱动,机械手的速度较快,有一定的惯性,所以对于稳定性要求较高。同时本文机械手是用于上料,要求它必须把板料放到冲压模具的中心位置,因此对机械手的精度要求较高,也即是机械手的稳态误差尽可能小。


  2. 控制系统的功能模块分析

  对于本机械手系统主要有两个功能模块,一是自动功能模块,另一个为回原位模块。回原位模块是在系统开始运行后,首先对机械手的初始位置作一个判断,若机械手不处于初始位置,原位指示灯不亮,操作人员就知道需要进行回原位操作;当机械手处于原位,原位指示灯亮起,切换到自动工作模式,机械手将连续自动运行。在本文中,控制系统设计按照机械手的工作要求,设定两台机械手的初始位置都为所有驱动气缸都处于缩回状态、吸盘断开状态。


PLC 控制系统硬件设计
   PLC 选型

  在本文机械手控制系统中,控制系统硬件组成如图 5-1 所示。

图5-1.png

气缸动作是否到位均使用磁性限位开关来检测和判断,而每个气缸都有伸出和缩回两个动作需要检测是否到位。因此,一条气缸上需要安装有 2 个限位开关,两台机械手 6 条气缸总共就有 12 个输入点。再加上系统启动、停止按钮,回原位/自动切换开关,一共会占用 PLC 的 16 个输入点。在输出端,两台机械手都需要输出的有臂伸/缩、臂降/升、臂左旋/右旋信号,以及连接吸盘气路通、断的信号,原位、自动信号指示灯等,一共占用 PLC 的 18 个输出点PLC 型号的选择,首先需要考虑 I/O 点数,其次还应从工艺要求、可靠性、稳定性等方面出发,最后还需要留有一定的余量接口。本文中的 PLC 控制系统需要 16 个输入点,18 个输出点,在综合对比了市场上点数为 34 点以上的 PLC 价格、实用性等方面,最后选用三菱 FX 系列的 FX2N-48MR 作为本文的控制系统,外观如图 5-2 所示。

图5-2.jpg


  2 PLC 与计算机通讯设计

  PLC 与计算机属于数字设备的范畴,它们之间的通信和信息交换以数字信号的形式进行,数据通信是指数据信息依赖通信线路在两台数字设备之间进行传递的过程。数据通信有串行和并行两种通信方式,如图 5-3 所示。

图5-3.jpg

串行通信进行数据传输时不能同时进行接收和发送,它只能按顺序一位一位的发送或接收,而并行通信的数据传输能够同一时间接收和发送,因此两者在数据传输速度上有差距,并行通信更快。串行通信在传送具有多位的二进制数据时较并行通讯所需要的数据传输线少,只需两根数据传输线即可,所以它的通信线路简单,而且成本更低,在自动化控制中广泛应用。计算机和 PLC 都有串行通信端口(例如 RS-232C),所以普通计算机和可编程控制器(PLC)普遍采用串行通信模式前述本控制系统的 PLC 型号选用 FX2N-48MR,普通计算机都带有 RS-232C 的通信端口,故本文采用 RS-232C 串行通信方式,其传输速率固定为 9600bit/s,机偶校验位采用偶校验,数据以帧为单位发送和接收。计算机作为上位机,PLC 作为下位机,其通信是以上位机发出初始命令,PLC 对其做出响应的方式进行,上位机可以实现对 PLC 的RAM 区数据的操作。


I/O点分配及PLC外部电气接线图设计
  1.I/O点分配
  上述选取FX2N-48MR型号的三菱PLC作为本机械手的控制系统,根据实际情况对其进行I/O点分配,如表5-1所示。

表5-1.jpg


  2.PLC外部电气接线图

  通过分析机械手的功能及其控制系统特性,根据最终选择的控制元件和控制方式,并参照图5-1所示的控制系统硬件模块组成和表5-1所示的I/O点数分配,设计出整个气动机械手控制系统的PLC外部电气接线图,具体如图5-4所示。

图5-4.jpg


   3主程序流程图设计

  通过前述对气动机械手的功能要求分析,以及根据机械手的动作顺序和控制功能模块,绘制控制系统主程序的流程图,以便于后续采用模块化的思想编写PLC控制系统各功能模块具体的控制程序。主程序流程图如图5-5所示。系统启动后,进行系统初始化,然后判断机械手是否在原位,若不在,则需要进行回原位位操作;若在,则需要继续进行自动工作模式的确定,然后在自动工作模式下完成机械手的工作任务。

图5-5.jpg


4PLC控制系统程序设计
  4.1程序设计算法分析
  算法是用来描述解决问题的清晰思路。首先,算法是有穷的,并且初始动作唯一;其次是动作序列工作过程中的下一动作是确定的;最后所描述的问题在序列终止时得到解决。不是任何问题都存在算法,若对于一个问题,有可行的解决方案,就有算法可言,否则可能就没有。算法又分为数值类和非数值类,这两类又可以细分为几小类,在PLC程序设计中常用的算法分析方法主要有分治法、贪婪法、回溯法和递推法等。
  1.分治法
  分治法应用十分广泛,其核心思想是“大化小,小化无”,即把复杂的问题分解成众多简单的问题,然后再逐一解决,最终通过这些小问题的解,构建出整个问题的解。按照机械手的工作顺序,划分出了小功能模块和工作步,例如水平臂的伸缩、竖直臂的升降等,这些在设计中都统称为步。
  2.贪婪法
  贪婪法的特点是能够快速得到解,但这个解不一定是最优解。这种方法最大的特点就是把所有符合的情况都列作考虑对象(这就是其“贪婪”性的体现),然后从中选取一个解决问题的方法,不考虑所选取的方法是不是最优的方案。在机械手控制系统设计中,算法设计有很多种方法,例如可以用最基本的“起-保-停”来处理每一步的操作,以实现控制功能;
  3.回溯法
  回溯法是当求解过程进行到某一步时,发现前面的选择并不是最优或者并不能解决问题时,就退回一步重新进行选择,简单地说就是一个方法行不通就退回去再选择其它的方法。回溯法一般在设计机械手的顺序功能图时应用最多,即当我们在进行工作任务分析画出流程图后,发现思路出错或者无法达到最佳的解决方案,会重新返回开始步进行设计。
  4.递推法

  递推法的本质思想是将问题抽象为递推关系求解。在机械手程序设计中,通常依照顺序功能图中的逻辑顺序递推。在机械手各状态执行动作和转换关系中重复应用递推法,即可设计出其控制逻辑图。


  本文是基于PLC控制的封头冲压上下料气动机械手设计与研究,要求能够巧妙的将机、电、气结合起来,满足小型换热器封头冲压过程的上下料操作。本文首先对机械手的发展及研究现状进行了相关概述,然后在全面分析本文机械手功能的基础上,着重进行了机械手结构设计、气压驱动系统设计、控制系统设计与机械手样机验证实验、机械手控制电路可靠性分析等设计研究工作。


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